莲塘隧道超大断面分岔处设计参数拟定

蔡东明 毕强

(北京市市政工程设计研究总院有限公司 100082）

引言

随着我国经济的高速发展以及隧道修建技术的不断提高， 修建分岔隧道结构已经成为一种趋势和选择[1]。 这种形式的隧道含小净距段、 连拱段和大断面段， 分岔段的隧道结构受力较为复杂、 工序转换比较频繁， 设计、 施工的综合难度较大， 国内外还没有相应的设计、 施工技术规范、 标准。 到目前为止， 国内已有一些超大断面分岔隧道修建的实例。 有必要对已建隧道进行调研， 采用工程类比的研究方法， 对本工程的设计施工提供指导和借鉴。 因此开展超大断面分岔式隧道的设计、 施工技术调研工作就显得很有必要[2]。

1 工程概况

莲塘隧道是一座复杂的分岔式立交隧道， 隧道右线长1455m， 左线长1485m， 最大埋深约为150m， 设计时速80km/h。 莲塘隧道分岔段超大断面位于左线K1 +890 ～K1 +941 段， 全长51m。该区段主要为微风化砂岩， 节理裂隙较发育， 地下水贫乏、 渗透性小， 超大断面区域围岩综合判定为Ⅲ级。 莲塘隧道分岔段结构形式如图1所示。

图1 莲塘隧道分岔段示意Fig.1 Cross section of Liantang tunnel at bifurcation

2 国内超大断面分岔隧道调研

调研了国内已建隧道， 包括: 八字岭隧道、漆树槽隧道、 营盘路湘江隧道、 拍盘隧道、 横龙山隧道、 胶州湾海底隧道。 通过对以上隧道的调研， 整理出截至调研前国内超大断面分岔隧道的项目概况、 建设条件、 设计参数、 施工方法等。查阅关于超大断面分岔隧道文献[2-8]， 对本工程的设计施工提供指导和借鉴。 采用工程类比的研究方法， 拟定莲塘隧道的设计参数。

2.1 调研内容

(1）项目概况: 包括项目位置、 工程规模。

(2）建设条件: 包括地质条件、 围岩等级。

(3）设计参数: 包括结构形式、 开挖断面尺寸、 初期支护参数。

(4）施工方法: 不同断面形式对应的施工方法。

2.2 调研项目概述

1.湖北—八字岭隧道

八字岭隧道左线全长 3525m， 右线全长3548m， 单洞主车道数4 车道。 八字岭隧道出口端采用的分岔式设计和施工当时在国内尚属首例。 分岔式隧道在向分离式隧道过渡过程中设计有超大拱形、 连拱、 小间距和分离式独立双洞四种结构形式。 其中超大跨拱型段长58.6m， 净跨度为 19.6m， 最大开挖宽度为 23.9m， 高度为11.9m。

隧道大拱段位于出口段， 顶板厚度0 ～30m，围岩岩性为弱-微风化灰岩， 薄-中厚层状， 地表岩溶较发育， 地表及地下水自然排泄条件较好。 出口位于低中山斜坡位置， 山坡自然坡度28° ～ 45°， 岩体较完整， 围岩类别为Ⅲ ～ Ⅳ类，成洞条件较好， 洞口围岩较稳定， 工程地质条件较好。

大拱段采用上下台阶法开挖， 连拱段采用中导洞全断面开挖， 小净距段采用了上下台阶法开挖。

隧道大拱段初期支护设计参数见表1。

表1 八字岭隧道初期支护参数Tab.1 Initial support parameters of Baziling tumel

2.湖北—漆树槽隧道

漆树槽隧道左洞长 1263.5m， 右洞长1255m， 单洞主车道数2 ～4 车道。 出口段包括小净距段、 连拱段、 大断面段。 大断面段最大开挖高度为12.1m， 最大开挖宽度为24.7m， 开挖面积达241m2。

隧道围岩由弱-微风化灰岩构成， 岩层呈薄-中层状构造， 裂隙较发育， 无地表水， 地下水主要为基岩裂隙水、 岩溶裂隙水、 地表覆盖层中的孔隙水， 水量大小受季节性影响。 大拱段围岩是弱风化与微风化灰岩， 洞口地段属弱风化灰岩， 薄层状结构， 裂隙发育， 且存在一夹泥破碎带， 围岩自稳承载能力很差。

在施工中， 对于大断面段采用上下断面法进行开挖， 下半断面保留中间核心土， 对两侧边墙进行交错开挖。 连拱段及小净距段左右洞均采用了全断面开挖， 分先后行隧道分开交叉开挖。

隧道最大断面初期支护设计参数见表2。

表2 漆树槽隧道初期支护参数Tab.2 Initial support parameters of Qishucao tunnel

3.湖南—营盘路湘江隧道

营盘路湘江隧道左洞长 2723m， 右洞长3022m， 单洞主车道为: 2 车道+1 车道。

工程地下水丰富， 有孔隙水及基岩裂隙水两种类型。 断层破碎带和圆砾层是该工程最主要的不良地质体。 隧道先后穿过三条断层破碎带， 隧道暗挖段大部分地段覆土厚度为6.5m ～22.3m，而地下分岔超大断面段达到23.49m、 高度13.62m。主要施工方法有双侧壁导坑法、 6 部CRD 法， 分超大断面为小断面， 初期支护步步成环。

超大断面初期支护参数见表3。

表3 营盘路湘江隧道初期支护参数Tab.3 Initial support parameters of Yingpanlu Xiangjiang tunnel

4.山西—拍盘隧道

拍盘隧道左洞3479m， 右洞3447m， 单洞双车道。 由双洞单跨上下双层桥隧混合结构、 连拱结构、 小净距结构和分离式结构组成了复杂的分岔式隧道。 其开挖跨径达25.77m， 最大开挖高度17.25m， 断面面积达346.6m2。

洞口加强段按单侧壁导坑法(中隔墙法）开挖， Ⅲ类围岩按上下台阶法开挖， Ⅱ类围岩按全断面法开挖。 小净距隧道Ⅲ类围岩段按左洞先行、 上下台阶开挖。 连拱隧道三导坑开挖。

超大断面初期支护参数见表4。

表4 拍盘隧道初期支护参数Tab.4 Initial support parameters of Paipan tunnel

5.深圳—横龙山隧道

横龙山隧道隧道左洞长 2330m， 右洞长2275m， 单洞(3 + 1） 车道。 最大开挖断面达304.14m2、 最大断面宽度29.171m、 最大断面高度18.08m。

隧道采用新奥法施工， 三车道隧道V 类围岩地段采用双侧壁导坑法施工； III 类围岩地段采用正台阶法或CD 工法施工； II、 III 类围岩地段采用正台阶法或全断面法施工。 四车道隧道和喇叭口隧道段， IV 类围岩地段采用双侧壁导坑法施工； II、 III 类围岩地段采用正台阶法或双侧壁导坑法。

超大断面围岩主要为花岗岩， 岩性较好， 裂隙不发育， 属II ～III 类围岩。 初期支护参数见表5。

表5 横龙山隧道初期支护参数Tab.5 Initial support parameters of Henglongshan tunnel

6.青岛—胶州湾海底隧道

胶州湾海底隧道， 又称胶州湾隧道。 隧道左洞长2850m， 右洞长2805m， 单洞三车道， 最大开挖跨度28.202m、 高18.64m。

超大断面采用双侧壁导洞法开挖， 连拱段采用中导洞法施工， 小净距段采用CD 法的组合法施工。

最大断面处隧道埋深16m ～18m， 洞顶以上有7m ～14m 微风化基岩， 微风化基岩多为块状砌体结构或块(石）碎(石）状镶嵌结构， 岩质坚硬， 围岩透水性弱， 自稳能力好， 围岩级别为Ⅱ～Ⅲ级。 超大断面支护参数见表6。

表6 胶州湾海底隧道初期支护参数Tab.6 Initial support parameters of Jiaozhouwan tunnel

2.3 调研成果总结

1.分岔式隧道分类

分岔式公路隧道除行车横洞、 行人横洞外，按照其主要应用领域可划分为山岭隧道与城市隧道。 山岭地区形成分岔式隧道的主要特点是桥隧相接(或相近）， 城市地区形成分岔式隧道的主要特点是主线与分合流转向匝道相接或在进出口与立交相连。 如图2 所示。

2.分岔式隧道结构形式组成

分岔式隧道的组成由超大断面段、 连拱段、小净距段、 分离段组成， 如图3 所示。

3.隧道分岔段形式及参数

调研隧道分岔段形式及参数见表7。

图2 分岔式隧道分类Fig.2 Classification of forked tunnel

图3 分岔式隧道典型结构形式组成Fig.3 Typical structure of forked tunnel

表7 隧道分岔段形式及参数Tab.7 Form and parameters of tunnel bifurcation section

4.隧道开挖方法及支护参数

通过对隧道的调研， 可以总结出不同围岩级别下， 超大断面段、 连拱段和小净距段隧道的施工方法以及超大断面初期支护参数见表8、表9。

表8 分岔段施工方法Tab.8 Construction method of forked section

表9 超大断面初期支护参数Tab.9 Initial support parameters of super large section

3 莲塘隧道设计方案

根据调研国内已建超大断面分岔隧道成果，采用工程类比法拟定莲塘隧道设计方案。

3.1 隧道形式

拟定莲塘隧道分岔段形式为: 超大断面段-连拱段-小净距段-分离段。

3.2 断面尺寸

根据工程需求及《公路隧道设计规范》(JTGD70 -2004）拟定莲塘隧道最大断面处建筑限界宽度为26.468m， 高度为5.0m， 建筑限界如图4 所示。

图4 最大断面建筑限界Fig.4 Maximum section construction clearance

隧道内轮廓以建筑限界为基础， 综合考虑路面超高、 衬砌结构受力特点、 照明及消防设施布置空间、 沟槽尺寸及隧道内装等拟定断面形式及具体参数。 在满足建筑限界、 运营设备安装空间、 方便维修保养等前提下， 力求使净空断面利用率高， 结构受力合理。 经对衬砌受力、 造价等因素比较， 根据《公路隧道设计规范》(JTGD70 -2004）和《公路工程技术标准》(JTGB01 -2003），并结合本线技术标准和特点拟定。

根据现有调研资料表明， 一般三车道以及四车道公路隧道的扁平率多控制在0.5 ～0.7。通过三维数值模拟分析， 莲塘隧道超大断面扁平率为0.583， 超大断面内轮廓跨度27.45m、高16m， 隧道主洞内轮廓采用受力条件好的三心圆形式。 为降低施工难度， 设计时确保隧道内轮廓满足路面超高的需要， 隧道内轮廓位置相对隧道中线处路面标高确定， 内轮廓适用于本工程隧道路面横坡的全部超高方式。 最大断面处隧道内轮廓如图5 所示。

图5 四车道(最大断面)内轮廓Fig.5 Inner contour of four lane (maximum section）

3.3 总体施工方法

国内针对超大断面(四车道以上）的工程研究表明， 双侧壁导洞的开挖方式对于拱顶下沉、 水平收敛， 掌子面稳定以及围岩塑性区范围的控制相对其他工法更为有效。 莲塘隧道采用双侧壁导洞法开挖， 连拱段采用中导洞法施工， 小净距段采用台阶—单侧壁导坑法组合法施工。

3.4 支护方式

考虑到过多打设超前锚杆会破坏微风化砂岩的完整性， 在超前支护方面仅针对明显软弱、 破碎的局部岩体打设超前砂浆锚杆(长度和范围根据现场实际情况确定）。 Ⅲ级围岩具有一定的自稳时间， 初衬钢拱架选用与喷混结合后期强度较高的8 字筋格栅拱架， 同时初衬采用大拱角方式， 以保证格栅钢架落底坚实。 开挖跨度大， 可类比的工程项目少， 初衬对于围岩的稳定效果难以量化， 二衬成环跨度大， 二衬采用了钢筋混凝土结构， 以保证工程安全。

考虑到工字型钢拱架与混凝土的热膨胀系数不同， 温度变化时， 结构通常会沿钢拱架产生环向收缩裂缝。 钢拱架背后的喷射混凝土较难充填密实， 这将在一定程度上影响支护效果。 另外，型钢重量大， 运输稍有不便。 相比而言， 钢格栅与混凝土的接触面积大、 粘结效果好， 两者能够共同变形、 协同受力， 结构不会出现收缩裂缝；拱架间空隙大， 喷射混凝土不容易出现较大的空洞现象； 钢格栅重量轻， 制作简单， 运输和安装方便， 工程造价低， 经济性较好。 因此， 综合比较各因素， 选取钢格栅联合喷射混凝土及锚杆作为初期支护较为合适。

锚杆初拟布设方案为: 在拱顶及侧墙范围间隔1m 打设单根长度为5m 的φ25 中空注浆锚杆。

综上结合调研成果、 工程功能需求、 工程自身特点、 计算分析等内容， 拟定莲塘隧道最大断面处支护参数见表10。

表10 莲塘隧道最大断面初期支护参数Tab.10 Initial support parameters of maximum section of Liantang tunnel

4 结语

参考调研成果， 根据自身功能需求、 工程特点， 莲塘隧道分岔段布置形式为超大断面段-连拱段-小净距段-分离段。 施工方法为超大断面采用双侧壁导洞法， 连拱段采用中导洞法， 小净距段采用台阶-单侧壁导坑法组合法。 初期支护参数: 局部打设φ22 超前砂浆锚杆； C30 喷射混凝土厚度33cm； 钢支撑采用φ25 钢筋格栅， 纵向间距 0.5m； 采用φ8 规格 20cm × 20cm 的钢筋网，拱、 墙处双层、 仰拱处单层布置； 拱、 墙处打设长度为5m 的φ25 中空注浆锚杆， 间距 1m ×1m。参数根据现场施工及地质条件变化动态调整。